Η σηµερινή τεχνολογία επιτρέπει µια πιο αποτελεσµατική χρήση και έλεγχο της θερµικής ενέργειας στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Η διαχείριση της θερµοκρασίας βελτιστοποιείται µεταξύ εξαρτηµάτων, όπως η µπαταρία, το σύστηµα HVAC (θέρµανση, εξαερισµός και κλιµατισµός), ο ηλεκτροκινητήρας και ο µετατροπέας. Αυτό γίνεται µε τη χρήση αυτού που ονοµάζεται σύστηµα θερµικής διαχείρισης µπαταρίας (Battery Thermal Management System – BTMS).

Όταν ο κινητήρας θερµαίνεται, για παράδειγµα, η θερµότητα µπορεί να ανακατευθυνθεί στην καµπίνα ή στην µπαταρία για την καλύτερη δυνατή χρήση της ενέργειας.

Μέθοδοι ψύξης µπαταριών EV
Οι µπαταρίες EV µπορούν να ψύχονται µε ψύξη αέρα ή υγρή ψύξη. Η υγρή ψύξη είναι η µέθοδος επιλογής για την κάλυψη των σύγχρονων απαιτήσεων ψύξης. Ας εξετάσουµε και τις δύο µεθόδους για να κατανοήσουµε τη διαφορά.

Ψύξη µε αέρα
Η ψύξη µε αέρα χρησιµοποιεί αέρα για την ψύξη της µπαταρίας και υπάρχει σε παθητική και ενεργή µορφή. Η παθητική αερόψυξη χρησιµοποιεί αέρα από τον εξωτερικό χώρο ή από την καµπίνα για να ψύξει ή να θερµάνει τη µπαταρία. Συνήθως περιορίζεται σε µερικές εκατοντάδες Watt απαγωγής θερµότητας.

Η ενεργητική ψύξη αέρα παίρνει τον αέρα από ένα κλιµατιστικό, το οποίο περιλαµβάνει έναν εξατµιστή και έναν θερµαντήρα για τον έλεγχο της θερµοκρασίας του αέρα. Συνήθως περιορίζεται σε 1 kW ψύξης και µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την ψύξη ή τη θέρµανση της καµπίνας.

Η ενεργή ψύξη είναι πιο πολύπλοκη και ακριβή, αλλά παρέχει καλύτερες επιδόσεις, όπως ισχύ κίνησης και φόρτισης. Είναι επίσης πιο αποτελεσµατική στην αποµάκρυνση της θερµότητας από τη µπαταρία, αλλά απαιτεί περισσότερη ενέργεια για τον έλεγχο της θερµοκρασίας της µπαταρίας. Η διαφορά µεταξύ ενεργητικής και παθητικής ψύξης είναι ότι η παθητική ψύξη δεν απαιτεί κανένα εξωτερικό σύστηµα για να λειτουργήσει, ενώ η ενεργητική ψύξη περιλαµβάνει τη χρήση εξωτερικών συσκευών ή συστηµάτων για την ψύξη της µπαταρίας, όπως ανεµιστήρες, λεκάνες ψύξης και υγρά ψύξης (στην περίπτωση της υγρής ψύξης).

Υγρή ψύξη
Η υγρή ψύξη είναι η πιο δηµοφιλής τεχνολογία ψύξης. Χρησιµοποιεί ένα υγρό ψυκτικό µέσο, όπως νερό, ένα ψυκτικό µέσο ή αιθυλενογλυκόλη, για την ψύξη της µπαταρίας. Το υγρό περνάει µέσα από σωλήνες, ψυχρές πλάκες ή άλλα εξαρτήµατα που περιβάλλουν τα στοιχεία και µεταφέρουν τη θερµότητα σε άλλο σηµείο, όπως έναν ψύκτη ή έναν εναλλάκτη θερµότητας. Τα εξαρτήµατα που µεταφέρουν το υγρό εµποδίζουν την άµεση ηλεκτρική επαφή µεταξύ των στοιχείων και του υγρού ψυκτικού υγρού.

Επειδή η υγρή ψύξη περιλαµβάνει αντλίες, ανεµιστήρες και άλλες συσκευές για την ενεργή εξαγωγή και ανακατεύθυνση της θερµότητας, πρόκειται για µια ενεργή µορφή ψύξης.

Ορισµένα συστήµατα θερµικής διαχείρισης χρησιµοποιούν ένα µέσο άµεσης επαφής, όπως λάδι ή άλλα διηλεκτρικά υγρά που βρίσκονται σε άµεση επαφή µε τα στοιχεία. Αυτό χρησιµοποιείται κυρίως σε µη καταναλωτικά EVs, καθώς είναι λιγότερο ασφαλή και παρέχουν λιγότερο αποτελεσµατική µόνωση µεταξύ των στοιχείων και του περιβάλλοντος.

Μέθοδοι ψύξης µε την πάροδο του χρόνου
Σήµερα, οι περισσότερες µπαταρίες ψύχονται µε υγρό χρησιµοποιώντας ενεργή ψύξη, καθώς επιτρέπει καλύτερο έλεγχο της θερµοκρασίας. Τα υγρά είναι καλύτεροι αγωγοί θερµότητας από τον αέρα – εκατοντάδες φορές καλύτεροι για την ακρίβεια – γεγονός που διευκολύνει τη διαχείριση της θερµοκρασίας. Επειδή η παραγωγή µπαταριών ήταν πολύ πιο ακριβή στην αρχή της επανάστασης των EVs, οι κατασκευαστές έκαναν τα πάντα για να ελαχιστοποιήσουν το κόστος παραγωγής, γεγονός που έκανε την παθητική ψύξη µε αέρα πιο ελκυστική. Αλλά το κόστος των µπαταριών έχει µειωθεί την τελευταία δεκαετία και η ταχεία φόρτιση, η οποία έχει πιο απαιτητικές απαιτήσεις ψύξης, έχει κερδίσει σε δηµοτικότητα. Ως αποτέλεσµα, η τεχνολογία παθητικής ψύξης µε αέρα έχει χάσει τη δηµοτικότητά της.

Στις αρχές της δεκαετίας του 2010, για παράδειγµα, είχαµε δύο επιλογές για την ίδια περίπου τιµή: ένα Nissan Leaf µε αερόψυξη και µπαταρία µεγαλύτερης εµβέλειας ή ένα Chevy Volt µε ενεργή υγρή ψύξη αλλά µε µικρότερη εµβέλεια αλλά πιο ισχυρή µπαταρία. Μια µεγάλης εµβέλειας, ισχυρή µπαταρία µε ενεργή ψύξη θα ήταν πολύ ακριβή εκείνη την εποχή.

Ένας από τους λόγους για τους οποίους η ενεργή ψύξη είναι ακριβότερη είναι ότι περιλαµβάνει περισσότερα εξαρτήµατα, όπως µια αντλία θερµότητας, έναν εναλλάκτη θερµότητας, µια αντλία κυκλοφορίας, βαλβίδες και πολλαπλούς αισθητήρες θερµοκρασίας. Ωστόσο, τα αποτελέσµατα της ψύξης είναι πολύ πιο αξιόπιστα.

Γιατί οι µπαταρίες EVs πρέπει να ψύχονται
Οι µπαταρίες EVs έχουν συγκεκριµένες περιοχές λειτουργίας, operating ranges, οι οποίες είναι κρίσιµες για τη διάρκεια ζωής και την απόδοση της µπαταρίας. Είναι σχεδιασµένες να λειτουργούν σε θερµοκρασία περιβάλλοντος, η οποία κυµαίνεται µεταξύ 20°C και 25°C (68°F και 77°F). Ο καλύτερος έλεγχος της θερµοκρασίας της µπαταρίας βελτιώνει την απόδοση και τη διάρκεια ζωής τους.

• Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας, µπορούν να αντέξουν θερµοκρασία µεταξύ -30°C και 50°C (-22°F και 140°F)
• Κατά την επαναφόρτιση, µπορούν να αντέξουν θερµοκρασίες µεταξύ 0°C και 50°C (32°F και 122°F).

Οι µπαταρίες παράγουν πολλή θερµότητα κατά τη λειτουργία και η θερµοκρασία τους πρέπει να µειώνεται εντός των ορίων λειτουργίας. Σε υψηλές θερµοκρασίες (µεταξύ 70°C και 100°C , ή 158°F και 212°F), µπορεί να εµφανιστούν θερµικές διαφυγές, προκαλώντας αλυσιδωτή αντίδραση που καταστρέφει τη συστοιχία µπαταριών. Κατά τη διάρκεια ταχείας φόρτισης, οι µπαταρίες πρέπει να ψύχονται. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το υψηλό ρεύµα που εισέρχεται στη µπαταρία παράγει περίσσεια θερµότητας που πρέπει να αποµακρυνθεί για να διατηρηθεί ο υψηλός ρυθµός φόρτισης και να µην υπερθερµανθεί η µπαταρία.

Μερικές φορές πρέπει επίσης να θερµαίνονται όταν η θερµοκρασία είναι πολύ χαµηλή ή για την ενίσχυση των επιδόσεων. Για παράδειγµα, τα στοιχεία δεν µπορούν να φορτιστούν κάτω από 0°C (32°F). ή εταιρείες όπως η Tesla προσφέρουν προθέρµανση της µπαταρίας σε ορισµένα µοντέλα για να επιτύχουν υψηλές επιδόσεις, πηγαίνοντας από τα 0 στα 60 mph σε λιγότερο από 2 δευτερόλεπτα, 0 στα 100 km/h σε λιγότερο από 2 δευτερόλεπτα.

Προκλήσεις θερµικής διαχείρισης
Οι πιο συνηθισµένες προκλήσεις θερµικής διαχείρισης για τις µπαταρίες EVs είναι οι διαρροές, η διάβρωση, η απόφραξη, το κλίµα και η γήρανση. Όπως θα δούµε, τα συστήµατα υγρής ψύξης παρουσιάζουν προκλήσεις που είναι ανύπαρκτες για τα συστήµατα αερόψυξης.
• Διαρροές µπορούν να εµφανιστούν µόνο στα συστήµατα υγρής ψύξης, των οποίων οι συνδέσεις σωλήνων ενέχουν κινδύνους διαρροών καθώς η µπαταρία γερνάει. Τυχόν διαρροές θα υποβαθµίσουν γρήγορα την απόδοση και τη διάρκεια ζωής της µπαταρίας. Μπορούν ακόµη και να προκαλέσουν τη διακοπή της λειτουργίας του EV, εάν η υγρασία προσβάλλει την ηλεκτρική µόνωση της µπαταρίας. Οι µονάδες µπαταρίας, οι διασυνδέσεις, οι αντλίες και οι βαλβίδες πρέπει να παραµένουν άθικτες.

• Διάβρωση µπορεί να συµβεί µόνο στα συστήµατα υγρής ψύξης, των οποίων οι ψυχρές πλάκες µπορούν να διαβρωθούν καθώς η υγρή γλυκόλη γερνάει. Εποµένως, το υγρό ψύξης πρέπει να αντικαθίσταται στο πλαίσιο της συντήρησης του οχήµατος.

• Απόφραξη είναι ένας κίνδυνος που υπάρχει στα εκατοντάδες µικρά κανάλια όπου ρέει το υγρό µέσα στη µπαταρία.

• Κλιµατικές συνθήκες σε όλο τον κόσµο θέτουν διαφορετικές θερµικές προκλήσεις για τις µπαταρίες. Παραδείγµατα είναι η παραµονή του αυτοκινήτου κάτω από τον έντονο ήλιο για µεγάλο χρονικό διάστηµα ή η διαβίωση σε µέρος όπου επικρατούν εξαιρετικά χαµηλές θερµοκρασίες τον χειµώνα. Οι µπαταρίες πρέπει να είναι σε θέση να ανέχονται µεγάλα εύρη θερµοκρασιών ανά πάσα στιγµή. Για να επιτευχθεί αυτό, το σύστηµα ψύξης της µπαταρίας πρέπει να είναι ενεργό ακόµη και όταν το όχηµα δεν χρησιµοποιείται.

• Η γήρανση προκαλεί προβλήµατα θερµικής διαχείρισης που πρέπει να προγραµµατιστούν. Καθώς οι µπαταρίες γερνούν, µεγαλύτερο µέρος της ενέργειας χάνεται ως θερµότητα. Το σύστηµα θερµικής διαχείρισης πρέπει να είναι κατασκευασµένο για αυτές τις πιο δύσκολες συνθήκες που εµφανίζονται αργότερα στη διάρκεια ζωής της µπαταρίας και όχι µόνο για τις τυπικές συνθήκες κατά τα πρώτα χρόνια.

Λέιζερ για τη βελτίωση της θερµικής διαχείρισης µπαταριών
Με τη νέα structural battery trend, δοµική τάση των µπαταριών, τα στοιχεία συνδέονται απευθείας µε το πλαίσιο του αυτοκινήτου. Τα υλικά θερµικής διεπαφής (TIM), Thermal interface materials (TIMs) όπως τα υλικά πλήρωσης κενών και οι κόλλες, χρησιµοποιούνται για τη µηχανική σύνδεση των στοιχείων της µπαταρίας και των πλακών ψύξης, ενώ παράλληλα ρυθµίζουν τη θερµοκρασία της. Η τεχνολογία λέιζερ γίνεται ουσιαστικό µέρος της κατασκευής µπαταριών για την ικανοποίηση όλο και πιο απαιτητικών απαιτήσεων ψύξης.
• Καθαρισµός µε λέιζερ: Tα TIMs πρέπει να παραµένουν συνδεδεµένα ανά πάσα στιγµή. Ο καλύτερος τρόπος για τη βελτίωση της ποιότητας και της ανθεκτικότητας της συγκόλλησης είναι ο κατάλληλος καθαρισµός των προς συγκόλληση εξαρτηµάτων. Τα λέιζερ παρέχουν έναν γρήγορο, ακριβή και αποτελεσµατικό τρόπο για την επίτευξη αυτού του στόχου.

• Υφή µε λέιζερ: H µεταφορά θερµότητας εξαρτάται από την επιφάνεια του υλικού που µεταφέρει θερµότητα: όσο µεγαλύτερη είναι η επιφάνεια, τόσο καλύτερη είναι η µεταφορά θερµότητας. Τα λέιζερ µπορούν να µορφοποιήσουν την επιφάνεια για να δηµιουργήσουν µια τραχύτητα που βελτιώνει τη µεταφορά θερµότητας.

Καθώς οι µπαταρίες ηλεκτρικών αυτοκινήτων φτάνουν σε νέες επιδόσεις, οι κατασκευαστές χρειάζονται περισσότερο από ποτέ τη βελτιστοποίηση της διαχείρισης θερµότητας και της ψύξης. Τα λέιζερ είναι ένα από τα κρίσιµα εργαλεία που θα βοηθήσουν τους κατασκευαστές ηλεκτρικών οχηµάτων να επιτύχουν αυτούς τους στόχους. Γίνεται επίσης πολλή έρευνα σχετικά µε τα TIMs για τη βελτίωση της θερµικής µεταφοράς, διατηρώντας παράλληλα την καλή ηλεκτρική µόνωση και την ασφάλεια.

του Νίκου Σκόρδου

Facebook

Twitter